cycles a vapeur t.a.v. conversion d´énergie centrale thermique Énergie Électrique chaleur...

CYCLES A VAPEUR

T.A.V

Conversion d´énergie

Centrale thermique

Énergie Électrique

Chaleur

Énergie Fossile

Généralités

• Cycle à vapeur de puissance importante de 50 à 1300 MW

• Fluide moteur : eau ou plus rarement ammoniaque pour de faibles puissance

• La puissance thermique au GV provient :– Réactions nucléaires (eau pressurisée ou eau bouillante)– Combustibles fossiles (pétrole,charbon, gaz,…– Sources chaudes (géothermie)– De l’échappement d’un cycle à gaz (cycle mixte) très intéressant

pour le rendement global.

Généralités

• Utilisation– Production d’électricité– Propulsion des navires et sous-marins

• Avantages– Rendement > 45% > cycles à gaz– Compression par des pompes de faibles puissances

• Inconvénients– Flexibilité : mise en route > 12 heures– Grosses installations– Problème de sécurité (Centrales nucléaires)

Cycle Vapeur

Centrale thermique

Centrale nucléaire

Qc

Condenseur

5

WTTurbine

Cycle de RANKINE ou HIRN

Q

4

F

GV

Bouilleur

SurchauffeurGV

3

2m

3’

Pompe

1

WPP

1

2

3

4

5

Condenseur

Bouilleur

Surc

hauf

feur

Tur

bine

économise

ur

Pom

pe

T

s ( kJ/kg/K)

CYCLE DE RANKINE (HIRN)

3’

Choix de la pression de la vapeur

• Entre 10 et 80 bars hv reste à peu prés constante

• Entre 40 et 120 bars xv reste à peu prés constante

• Mais trop forte pression à éviter : trop fortes contraintes mécaniques surcoût

• Choix courant entre 30 et 80 bars

Enthalpie et Chaleur latente de la vapeur saturée

0

500

1 000

1 500

2 000

2 500

3 000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

P (bar)

hv,

hl o

u L

(kJ

/kg

)

hl (kJ/kg)

hv (kJ/kg)

Llv (kJ/kg)

Ctehv

Exergie de la vapeur saturée

-

200

400

600

800

1 000

1 200

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

p (bar)

xv o

u x

l (kJ

/kg

)

xl (kJ/kg)

xv (kJ/kg)

Ctexv

Générateur de Vapeurou

Chaudières

Bâche alimentaire avec appoint d'eau traitée (décarbonatée, déminéralisée, dégazée...) Pompe alimentaire (pression de refoulement supérieure à la pression de la vapeur) Économiseurs (primaire et secondaire) permettant de refroidir les fumées en préchauffant l'eau d'alimentation Foyer avec brûleur (système de production de vapeur non représenté) Réseau vapeur avec soupapes de protectionAnalyseur d'oxygène sur les fumées pour réglage de l'excès d'air Cheminée pour rejet des fumées

Schéma de principe d'une chaudière de production de vapeurCHAUDIERES

Dans les chaudières à tubes de fumées, la flamme et les fumées qui résultent de la combustion circulent du brûleur jusqu'à la cheminée dans un faisceau de tubes immergés dans une calandre formant le réservoir d'eau.Elle produisent généralement de la vapeur saturante, directement issue del'ébullition dans le réservoir d'eau.

Chaudières à tubes de fumées

CHAUDIERES

Transfert de chaleurPar rayonnement

Puis par convection

Chaudières à tubes de fumées

1) L'eau liquide mise en ébullition (rayonnement) dans les tubes, circule du bas vers le haut par effet thermosiphon.2) La vapeur produite est ensuite surchauffée par convection(surchauffeur) 3) Puis passe par les économiseurs (préchauffe de l'eau alimentaire à l'aide des fumées déjà préalablement refroidies

Chaudières à tubes d'eau

La température de la flamme étant de 1500 °C il faut que dans les tubes, circule du liquide en non de la vapeur pour évacuer l’apport important de chaleur sans augmenter trop la température des tubes limitée à 650 °C (pour limiter les coûts)

Dans les chaudières à tubes d'eau, la combustion est réalisée dans une enceinte garnie de briques réfractaires, laquelle est tapissée de tubes d'eau. Ces tubes sont alimentés par deux ballons, l'un en partie supérieure avec régulation de niveau, l'autre en partie basse en charge.

Ce sont des chaudières pouvant atteindre de fortes pressions et de fortes puissances (100bars, 100T.h-1)

Le surchauffeur (rouge), les

économiseurs (en vert)

Schéma de principe d'une chaudière à tubes d'eau (Doc.GDF)

Les deux brûleurs (haut et bas)

Les ballons d'eau (bleu) supérieur et inférieur

on distingue l’arrivée d'air de combustion avec soufflante

Le conduit des fumées

Chaudière à tubes d'eau

Générateur de Vapeur

• Par rapport à une chaudière dans un GV :

• Pas d’effet radiatif

• Température de chauffage éloignée de la flamme

• Chauffage par convection uniquement

• Il n’est plus indispensable de placer le vaporiseur en premier

TURBINE

CONDENSEUR

Générateur de vapeur

Pompe Pompe

Arrivée d'air

Air Chaud

eau chaude

vapeur

surchauffeur

vapeur surchauffée à haute pression

Gaz de cheminée

Combustible

Eau de refroidissement

Génératrice

Vapeur basse pression

Réchaufeur d'air

CENTRALE THERMIQUE À VAPEUR D'EAU

BALLON

Fumées

Entrée combustible

Versturbine

Entrée d'air

Prˇchauffe de l'air

Entrée d'eau

Séparateurgravitaire

FOYER

SURCHAUFFEUR

Vaporiseur 1

Economiseur

Vaporiseur 2

SCHEMA DU GENERATEUR DE VAPEUR

TURBINE A VAPEUR

Divers types de turbines à vapeur

Turbine à condensation

Condenseur

HP > 40 bars

BP < 0.1 bar

Corps HP d’une turbine Alsthom de 125 MW Ailettes

Rotor MP-BP d’une turbine à resurchauffe de 125 MW à 3 000 tr/min. Alsthom


Turbine à contre pression

HP > 40 bars

BP = 4 bars

Autres utilisations


Turbine à soutirage et condensation

Condenseur

HP > 40 bars

BP < 0.1 bar

Soutirage (s)MP = 10 bars


Turbine à soutirage et contre pression

HP > 40 bars

Soutirage (s)MP = 10 bars

BP = 4 bars

Autres utilisations

• Résistance mécanique (150 à 300 bars) et thermique (200 à 500°C) de l’acier des tubes de la chaudière

• Débit volumique important (BP) (S , U >>)• Pression très faible au condenseur entrée d’air

• Titre en fin de détente proche de 1 sinon présence de nombreuse gouttelettes Qui diminue le rendement

Contraintes technologiques

1&)titre(xx11sec

humide

Améliorations

Cycles à resurchauffe

G V

P o m p e

B o u ill eu r

S u r c h a u f f e u r

T u r b i n e

W P

Q G V

2

1

3

4

7

W T

C o n d e n s e u r

Q C

T u r b i n e

56

R e s u r c h a u f f e u r

Cycle à resurchauffe

1

2

3

4

5

T

s ( k J / k g / K )

6

7

C y c le à r e s s u r c h a u f f e

Cycle à ressurchauffe

Cycle vapeur à soutirage

Cycle isoadiabatique avec de la vapeur condensable

1

2 3

4

TC

TF

PC

PF2'

4'

Turbine

WT

SoutiragesBouilleur

Condenseur

Pompe

Qb

Qc

1

2'2

3 4

4'

Q

4

F

GV

Bouilleur

Surchauffeur

GV

E

H

W T

Turbine Turbine

G

QC

Condenseur

A

BCD

m

W P

Pompe Pompe W P

Soutirage

s

s

m

m-m

Vanne

J


Cycle à soutirage

A

B

E'

FT

s ( kJ/kg/K)

Cycle à un soutirage

C

D

E

G

H

Condenseur

• Refroidissement par eau (rivière, lac,mer)

• Besoin de gros débit d’eau

• Refroidissement par tour atmosphérique

• Impact sur l’écosystème (eau ou air)

• Besoin d’extraire l’air dissous dans l’eau alimentaire. L’air non condensable finirait par bloquer le fonctionnement du condenseur

Condenseur en dépression

air air

Vapeur en sortie de turbine

Sortie d’eau à l’état liquide

Eau de refroidissement

E

S

P=0,1 bar

Notation et hypothèses

Débit masse de vapeur : vapeurdetitre:;mm vvV

Débit masse d’eau liquide : Ctem;m)1(m vL

Débit masse d’air (faible) : Ctemm aa

Débit masse total : mmm VL

m1m&mm VELEVEVE Entrée

Ctem

mm&0m LSVS Sortie En absence d’air :

Dans le condenseur mm vV diminue localement.

Dans le condenseur mm vV Diminue.

En présence d’air le gaz est de la vapeur humide saturée.

Tppp vsvv Avec p=Cte si on néglige la pdc

Donc si diminue alors T diminuev

On ne peut plus garder une température constante

La diminution de température est limitée à la température de l’eau de refroidissement

Et le titre de la vapeur d’eau n’est plus nul.

Diagramme (T, s) de l’eau

ESTcond

Trefr

S

Sans entrée d’air

Avec entrée d’air

Extraction de l’air par pompe à vide

air air

Vapeur en sortie de turbineE

S

Extraction de l’air par trompe à vide

Eau

trompe à vide

Gaz = air+vapeur d’eau

CONDENSEUR

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